Par nākamās paaudzes enerģijas ūdeņradi

Mēs ieviesīsim “ūdeņradi”, nākamās paaudzes enerģiju, kas ir oglekļa neitrāla. Ūdeņradi iedala trīs veidos: “zaļais ūdeņradis”, “zilais ūdeņradis” un “pelēkais ūdeņradis”, kuriem katram ir atšķirīga ražošanas metode. Mēs arī izskaidrosim katru ražošanas metodi, fizikālās īpašības kā elementus, uzglabāšanas/transportēšanas metodes un lietošanas metodes. Un es arī iepazīstināšu, kāpēc tas ir nākamās paaudzes dominējošais enerģijas avots.

Ūdens elektrolīze, lai iegūtu zaļo ūdeņradi

Izmantojot ūdeņradi, ir svarīgi tik un tā “ražot ūdeņradi”. Vienkāršākais veids ir “elektrolizēt ūdeni”. Varbūt jums gāja pamatskolas dabaszinībās. Piepildiet vārglāzi ar ūdeni un elektrodus ūdenī. Kad akumulators ir pievienots elektrodiem un tiek aktivizēts, ūdenī un katrā elektrodā notiek šādas reakcijas.
Katodā H+ un elektroni apvienojas, veidojot ūdeņraža gāzi, bet anods ražo skābekli. Tomēr šī pieeja ir piemērota skolu zinātnes eksperimentiem, taču, lai rūpnieciski ražotu ūdeņradi, ir jāsagatavo efektīvi mehānismi, kas piemēroti liela mēroga ražošanai. Tā ir “polimēra elektrolīta membrānas (PEM) elektrolīze”.
Šajā metodē starp anodu un katodu tiek ievietota polimēra puscaurlaidīga membrāna, kas nodrošina ūdeņraža jonu pāreju. Kad ierīces anodā tiek ielejams ūdens, elektrolīzes rezultātā radītie ūdeņraža joni caur puscaurlaidīgu membrānu pārvietojas uz katodu, kur tie kļūst par molekulāro ūdeņradi. No otras puses, skābekļa joni nevar iziet cauri puscaurlaidīgajai membrānai un kļūt par skābekļa molekulām pie anoda.
Arī sārmainā ūdens elektrolīzē jūs veidojat ūdeņradi un skābekli, atdalot anodu un katodu caur separatoru, caur kuru var iziet tikai hidroksīda joni. Turklāt ir tādas rūpnieciskas metodes kā tvaika elektrolīze augstā temperatūrā.
Veicot šos procesus plašā mērogā, var iegūt lielu daudzumu ūdeņraža. Procesā tiek ražots arī ievērojams daudzums skābekļa (puse no saražotā ūdeņraža tilpuma), lai, nonākot atmosfērā, tam nebūtu negatīvas ietekmes uz vidi. Tomēr elektrolīzei ir nepieciešams daudz elektroenerģijas, tāpēc bezoglekļa ūdeņradi var ražot, ja to ražo ar elektrību, kurā neizmanto fosilo kurināmo, piemēram, vēja turbīnas un saules paneļus.
Jūs varat iegūt “zaļo ūdeņradi”, elektrolizējot ūdeni, izmantojot tīru enerģiju.

Ir arī ūdeņraža ģenerators šī zaļā ūdeņraža liela mēroga ražošanai. Izmantojot PEM elektrolizatora sekcijā, ūdeņradi var ražot nepārtraukti.

Zils ūdeņradis, kas izgatavots no fosilā kurināmā

Tātad, kādi ir citi ūdeņraža iegūšanas veidi? Ūdeņradis pastāv fosilajos kurināmajos, piemēram, dabasgāzē un oglēs kā vielas, kas nav ūdens. Piemēram, apsveriet metānu (CH4), kas ir galvenā dabasgāzes sastāvdaļa. Šeit ir četri ūdeņraža atomi. Jūs varat iegūt ūdeņradi, izņemot šo ūdeņradi.
Viens no tiem ir process, ko sauc par "tvaika metāna reformēšanu", kurā izmanto tvaiku. Šīs metodes ķīmiskā formula ir šāda.
Kā redzat, oglekļa monoksīdu un ūdeņradi var iegūt no vienas metāna molekulas.
Tādā veidā ūdeņradi var iegūt, izmantojot tādus procesus kā “tvaika reformēšana” un dabasgāzes un ogļu “pirolīze”. “Zilais ūdeņradis” attiecas uz šādā veidā ražotu ūdeņradi.
Tomēr šajā gadījumā oglekļa monoksīds un oglekļa dioksīds rodas kā blakusprodukti. Tāpēc jums tie ir jāpārstrādā, pirms tie nonāk atmosfērā. Blakusprodukts oglekļa dioksīds, ja tas netiek reģenerēts, kļūst par ūdeņraža gāzi, ko sauc par "pelēko ūdeņradi".

Kāda veida elements ir ūdeņradis?

Ūdeņraža atomu skaits ir 1, un tas ir pirmais elements periodiskajā tabulā.
Atomu skaits ir lielākais Visumā, veidojot aptuveni 90% no visiem Visuma elementiem. Mazākais atoms, kas sastāv no protona un elektrona, ir ūdeņraža atoms.
Ūdeņradim ir divi izotopi ar neitroniem, kas piesaistīti kodolam. Viens ar neitroniem saistīts “deitērijs” un divi ar neitroniem saistīti “tritijs”. Tie ir arī materiāli kodolsintēzes enerģijas ražošanai.
Tādas zvaigznes iekšienē kā saule notiek kodolsintēze no ūdeņraža uz hēliju, kas ir enerģijas avots zvaigznei spīdēt.
Tomēr ūdeņradis uz Zemes kā gāze pastāv reti. Ūdeņradis veido savienojumus ar citiem elementiem, piemēram, ūdeni, metānu, amonjaku un etanolu. Tā kā ūdeņradis ir viegls elements, temperatūrai paaugstinoties, ūdeņraža molekulu kustības ātrums palielinās un izplūst no zemes gravitācijas uz kosmosu.

Kā lietot ūdeņradi? Izmantošana ar degšanas metodi

Kā tad tiek izmantots “ūdeņradis”, kas visā pasaulē ir piesaistījis uzmanību kā nākamās paaudzes enerģijas avots? To izmanto divos galvenajos veidos: “sadegšana” un “degvielas šūna”. Sāksim ar “sadedzināt” lietošanu.
Tiek izmantoti divi galvenie sadegšanas veidi.
Pirmais ir kā raķešu degviela. Japānas H-IIA raķete izmanto ūdeņraža gāzi “šķidro ūdeņradi” un “šķidro skābekli”, kas arī ir kriogēnā stāvoklī kā degviela. Šie divi tiek apvienoti, un tajā laikā radītā siltumenerģija paātrina radīto ūdens molekulu ievadīšanu, kas lido kosmosā. Taču, tā kā tas ir tehniski sarežģīts dzinējs, izņemot Japānu, šo degvielu veiksmīgi apvienojušas tikai ASV, Eiropa, Krievija, Ķīna un Indija.
Otrais ir elektroenerģijas ražošana. Gāzes turbīnu elektroenerģijas ražošanā izmanto arī ūdeņraža un skābekļa apvienošanas metodi, lai iegūtu enerģiju. Citiem vārdiem sakot, tā ir metode, kas aplūko ūdeņraža radīto siltumenerģiju. Termoelektrostacijās ogļu, naftas un dabasgāzes sadedzināšanas siltums rada tvaiku, kas darbina turbīnas. Ja kā siltuma avotu izmantos ūdeņradi, spēkstacija būs oglekļa neitrāla.

Kā lietot ūdeņradi? Izmanto kā kurināmā elementu

Vēl viens veids, kā izmantot ūdeņradi, ir kā kurināmā elementu, kas pārvērš ūdeņradi tieši elektroenerģijā. Jo īpaši Toyota ir pievērsusi uzmanību Japānā, elektrisko transportlīdzekļu (EV) vietā kā alternatīvu benzīna transportlīdzekļiem kā daļu no globālās sasilšanas pretpasākumiem piedāvājot ar ūdeņradi darbināmus transportlīdzekļus.
Konkrēti, mēs veicam apgriezto procedūru, ieviešot “zaļā ūdeņraža” ražošanas metodi. Ķīmiskā formula ir šāda.
Ūdeņradis, ražojot elektrību, var radīt ūdeni (karsto ūdeni vai tvaiku), un to var novērtēt, jo tas nerada slogu videi. No otras puses, šai metodei ir salīdzinoši zema elektroenerģijas ražošanas efektivitāte, proti, 30-40%, un kā katalizators ir nepieciešams platīns, tādējādi palielinot izmaksas.
Pašlaik mēs izmantojam polimēru elektrolītu kurināmā elementus (PEFC) un fosforskābes kurināmā elementus (PAFC). Jo īpaši degvielas šūnu transportlīdzekļi izmanto PEFC, tāpēc var sagaidīt, ka nākotnē tas izplatīsies.

Vai ūdeņraža uzglabāšana un transportēšana ir droša?

Tagad mēs domājam, ka jūs saprotat, kā tiek ražota un izmantota ūdeņraža gāze. Tātad, kā uzglabāt šo ūdeņradi? Kā to dabūt tur, kur vajag? Kā bija ar drošību tajā laikā? Mēs paskaidrosim.
Patiesībā ūdeņradis ir arī ļoti bīstams elements. 20. gadsimta sākumā mēs izmantojām ūdeņradi kā gāzi, lai peldētu gaisa balonus, gaisa balonus un dirižabļus debesīs, jo tas bija ļoti viegls. Tomēr 1937. gada 6. maijā Ņūdžersijā, ASV, notika “dirižabļa Hindenburgas sprādziens”.
Kopš negadījuma ir plaši atzīts, ka ūdeņraža gāze ir bīstama. Īpaši tad, kad tas aizdegas, tas spēcīgi eksplodēs ar skābekli. Tāpēc ir svarīgi “turēt prom no skābekļa” vai “turēt prom no karstuma”.
Pēc šo pasākumu veikšanas mēs nonācām pie piegādes metodes.
Ūdeņradis ir gāze istabas temperatūrā, tāpēc, lai gan tā joprojām ir gāze, tā ir ļoti apjomīga. Pirmā metode ir izmantot augstu spiedienu un saspiest kā cilindru, gatavojot gāzētos dzērienus. Sagatavojiet īpašu augstspiediena tvertni un uzglabājiet to augsta spiediena apstākļos, piemēram, 45 MPa.
Toyota, kas izstrādā degvielas šūnu transportlīdzekļus (FCV), izstrādā sveķu augstspiediena ūdeņraža tvertni, kas spēj izturēt 70 MPa spiedienu.
Vēl viena metode ir atdzesēt līdz -253°C, lai iegūtu šķidru ūdeņradi, un uzglabāt un transportēt to īpašās siltumizolētās tvertnēs. Tāpat kā LNG (sašķidrinātā dabasgāze), kad dabasgāze tiek importēta no ārvalstīm, ūdeņradis transportēšanas laikā tiek sašķidrināts, samazinot tā tilpumu līdz 1/800 no gāzveida stāvokļa. 2020. gadā mēs pabeidzām pasaulē pirmo šķidrā ūdeņraža nesēju. Tomēr šī pieeja nav piemērota degvielas šūnu transportlīdzekļiem, jo ​​tās dzesēšanai ir nepieciešams daudz enerģijas.
Pastāv uzglabāšanas un piegādes metode tādās tvertnēs kā šī, taču mēs izstrādājam arī citas ūdeņraža uzglabāšanas metodes.
Uzglabāšanas metode ir ūdeņraža uzglabāšanas sakausējumu izmantošana. Ūdeņradim ir īpašība iekļūt metālos un tos sabojāt. Šis ir izstrādes padoms, kas tika izstrādāts Amerikas Savienotajās Valstīs 1960. gados. JJ Reilly et al. Eksperimenti ir parādījuši, ka ūdeņradi var uzglabāt un atbrīvot, izmantojot magnija un vanādija sakausējumu.
Pēc tam viņš veiksmīgi izstrādāja vielu, piemēram, pallādiju, kas spēj absorbēt ūdeņradi 935 reizes vairāk par savu tilpumu.
Šī sakausējuma izmantošanas priekšrocība ir tā, ka tas var novērst ūdeņraža noplūdes negadījumus (galvenokārt sprādziena negadījumus). Tāpēc to var droši uzglabāt un transportēt. Tomēr, ja neesat piesardzīgs un atstājat to nepareizā vidē, ūdeņraža uzglabāšanas sakausējumi laika gaitā var izdalīt ūdeņraža gāzi. Nu, pat neliela dzirkstele var izraisīt sprādziena negadījumu, tāpēc esiet uzmanīgi.
Tam ir arī trūkums, ka atkārtota ūdeņraža absorbcija un desorbcija izraisa trauslumu un samazina ūdeņraža absorbcijas ātrumu.
Otrs ir izmantot caurules. Ir nosacījums, ka tam jābūt nesaspiestam un zemam spiedienam, lai novērstu cauruļu trauslumu, bet priekšrocība ir tāda, ka var izmantot esošās gāzes caurules. Tokyo Gas veica būvniecības darbus Harumi FLAG, izmantojot pilsētas gāzes vadus, lai piegādātu ūdeņradi kurināmā elementiem.

Nākotnes sabiedrība, ko izveidojusi ūdeņraža enerģija

Visbeidzot, aplūkosim ūdeņraža lomu sabiedrībā.
Vēl svarīgāk ir tas, ka mēs vēlamies veicināt sabiedrību bez oglekļa emisijām, mēs izmantojam ūdeņradi, lai ražotu elektroenerģiju, nevis kā siltumenerģiju.
Lielo termoelektrostaciju vietā dažas mājsaimniecības ir ieviesušas tādas sistēmas kā ENE-FARM, kas vajadzīgās elektroenerģijas ražošanai izmanto ūdeņradi, kas iegūts, pārveidojot dabasgāzi. Tomēr paliek jautājums, ko darīt ar reformēšanas procesa blakusproduktiem.

Nākotnē, ja palielināsies paša ūdeņraža cirkulācija, piemēram, palielināsies ūdeņraža uzpildes staciju skaits, būs iespējams izmantot elektroenerģiju, neizdalot oglekļa dioksīdu. Elektroenerģija, protams, ražo zaļo ūdeņradi, tāpēc tā izmanto elektrību, kas iegūta no saules gaismas vai vēja. Elektrolīzei izmantotajai jaudai ir jābūt jaudai, lai samazinātu elektroenerģijas ražošanas apjomu vai uzlādētu uzlādējamo akumulatoru, ja rodas enerģijas pārpalikums no dabiskās enerģijas. Citiem vārdiem sakot, ūdeņradis atrodas tādā pašā pozīcijā kā uzlādējamais akumulators. Ja tas notiks, galu galā būs iespējams samazināt siltumenerģijas ražošanu. Strauji tuvojas diena, kad no automašīnām pazudīs iekšdedzes dzinējs.

Ūdeņradi var iegūt arī pa citu ceļu. Faktiski ūdeņradis joprojām ir kaustiskās soda ražošanas blakusprodukts. Cita starpā tas ir koksa ražošanas blakusprodukts dzelzs ražošanā. Ja jūs ievietosit šo ūdeņradi sadalē, jūs varēsit iegūt vairākus avotus. Šādā veidā ražoto ūdeņraža gāzi piegādā arī ūdeņraža stacijas.

Paskatīsimies tālākā nākotnē. Zaudētās enerģijas daudzums ir arī problēma ar pārraides metodi, kurā strāvas padevei tiek izmantoti vadi. Tāpēc turpmāk pa cauruļvadiem piegādāto ūdeņradi izmantosim tāpat kā gāzēto dzērienu gatavošanā izmantotās ogļskābes tvertnes un iegādāsimies mājās ūdeņraža tvertni, lai ražotu elektroenerģiju katrai mājsaimniecībai. Mobilās ierīces, kas darbojas ar ūdeņraža baterijām, kļūst par ierastu lietu. Būs interesanti redzēt šādu nākotni.